高电压技术 第6讲 气隙的击穿特性

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高电压技术 第6讲 气隙的击穿特性

第3章 气隙的击穿特性 主要内容 一． 气隙的击穿时间 二． 持续作用电压下空气的击穿电压 三． 雷电冲击电压下空气的击穿电压及伏秒特性 四． 操作冲击电压下空气的击穿电压 五． 提高气体间隙击穿电压的措施 影响空气间隙放电电压的因素主要： 电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀 电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压 、操作冲击电压 大气条件：气压、温度、湿度 一、气隙的击穿时间 n 最低静态击穿电压U0 n 击穿时间tb 升压时间t0 、统计时延ts 、放 电发展时间tf 、放电时延 tl n 短间隙(1厘米以下) tf< 1cm），均匀电场中空气 的电气强度（峰值）大致等于30kV/cm kV 53.64.24 SSUb   二、持续作用电压下空气的击穿电压 n 稍不均匀电场中的击穿电压 1. 不能形成稳定的电晕放电 2. 电场不对称时，极性效应不很明显 3. 直流、工频下的击穿电压(幅值) 都相同，击 穿电压的分散性也不大 4. 击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场 越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高 球—球间隙，球—板间隙，同轴圆柱间隙 球—球间隙 当d＜D/4，电场相当均匀，直 流电压、工频电压及冲击电 压作用下，击穿电压都相同 当d＞D/4，大地对电场的畸变 作用使间隙电场分布不对称 ，Ub有极性效应 电场最强的电极为负极性时的 击穿电压略低于正极性时的 数值 同一间隙距离下，球电极直径 越大，由于电场均匀程度增 加，击穿电压也越高 二、持续作用电压下空气的击穿电压 n 电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒(尖)—板 ：电场分布不对称 棒(尖)—棒(尖) ：电场分布对称 n 直流、工频间的差别比较明显，分散性较大， 且极性效应显著 1. 直流电压下的击穿电压 n 极性效应：尖—尖电极 间的击穿电压介于极性 不同的尖—板电极之间 n 棒—板间隙：棒具有正 极性时，平均击穿场强 约为4.5kV/cm；棒具有 负极性时约为l0kV/cm n 棒—棒间隙的平均击穿 场强约为4.8~5.0kV/cm 0 100 200 300 300 600 900 bU (kV) d (cm) 2. 工频电压下的击穿电压 n 击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生 n 除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关系 n 棒—棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值)，棒— 板间隙的约为4.8kV/cm(幅值) n “饱和现象” ：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒 —板间隙尤为严重 d＝1m， 5 kV/cm d＝l０m，2 kV/cm 三、雷电冲击电压下空气的击穿电压 及伏秒特性 1. 雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起 的高电压也具有冲击波形 2. 雷电冲击电压标准波形 Tl＝1.2s（30%） T2＝50s（20%） 3. 雷电冲击50％击穿电压 在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工程上以 此来反映间隙的耐受冲击电压的特性 n 均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压 ◆ 击穿电压分散性小，其雷电冲击50％击穿电压和静态 击 穿电压(即持续作用电压下的击穿电压)相差很小 。 ◆ U50%与静态击穿电压的比值称为冲击系数β，β＝1 n 极不均匀电场中的击穿电压 • 由于放电时延较长，通常冲击系数大于l，击穿电压的 分散性也大一些，其标准偏差可取为3% n 伏秒特性的制订方法 工程上用间隙上出现的电压最 大值和放电时间的关系来表 征间隙在冲击电压下的击穿 特性 伏秒特性用实验方法求取 放电时间具有分散性，实际上 伏秒特性是以上、下包线为 界的一个带状区域 4. 伏秒特性 小于下包络线所示数值t的概率为0％， 其左方完全不击穿； 小于上包络线所示数值 t的概率为100％， 其右方完全击穿； 小于 t的概率为50％——50%概率放电时 间对应50％伏秒特性 作法：保持一定的波形而逐渐升高电压，以示波图来求取， 电压较低时，击穿发生在峰值过后，取峰值作纵坐标； 击穿发生在波峰时，取峰值作纵坐标； 击穿发生在尚未到峰值时，取击穿时电压值作纵坐标。 0 bt bU 1 3 2 曲线形状与电场的均匀性有关：均匀场，曲线低且平坦， 上翘范围小；不均匀电场，曲线较高且陡 0 bt bU s1~ 1 2 n 伏秒特性的特点 在绝缘配合中的意义： 1 A B 2 A B 3 P A B 图1： A －设备，Ｂ－保护间隙 图2：保护间隙的伏秒特性曲线 B低于设备的曲线A，能保护设备 图3：间隙曲线Ｂ较陡，间隙在交叉点P前不能保护设备， 在P后能保护设备 。 曲线Ａ、Ｂ形状可以改变，若曲线Ｂ过低，运行不安全； 但若抬高曲线Ａ，将会增加经济投入 n 伏秒特性的用途 四、操作冲击电压下空气的击穿电压 1. 操作冲击电压推荐波形 n 非周期性指数衰减波 推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500微秒 n 衰减振荡电压 第一个半波的持续时间在2000一3000微秒之间 ，反极 性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80％ 2. 操作冲击50％击穿电压 n 均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压 气体间隙的操作冲击50％击穿电压和雷电冲击50％ 击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同 击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值 n 极不均匀电场中的击穿电压 极不均匀电场中的操作击穿有许多特点 特点 1. 极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50％击穿电压 比负极性下低，所以也更危险 2. 电场分布的影响 “邻近效应” ：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正 极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压 电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响 3.波形的影响 n 在一定的波前时间范围 内，U50 甚至会比工频击 穿电压低 ，呈现出 “Ｕ 形曲线” n 对应于极小值的波前时 间随着间隙距离加大而 增加，对7m以下的间隙 ，大致在50200s之间 n 放电时延和空间电荷(形 成及迁移)这两类不同因 素的影响所造成的 n 分散性大 对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，极不 均匀电场间隙50％击穿电压的标准偏差约为5％；波 前时间超过1000s以后，可达8％左右（工频及雷电冲 击电压下均约为3％） n “饱和”现象 和工频电压下类似，极不均匀电场中操作冲击50％击穿 电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征（雷 电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系 ） n 50％击穿电压极小值的经验公式 式中 d — 间隙距离，m 上式对于１ 20m的长间隙和试验结果很好地符名 MV 81 4.3 min50 d U   五、提高气体间隙击穿电压的措施 两个途径： 一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程 (一）改进电极形状以改善电场分布 n 增大电极曲率半径 减 小表面场强。如变压器 套管端部加球形屏蔽罩 ；采用扩径导线等 n 改善电极边缘 电极边 缘做成弧形；尽量使其 与某等位面相近 n 使电圾具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金 属扁球；墒洞边缘做成 近似垂接线旋转体 （二）极不均匀电场中屏障的采用 n 在电场极不均匀的空气 间隙中，放入薄片固体 绝缘材料（例如纸或纸 板），在一定条件下， 可以显著提高间隙的击 穿电压 n 原理是屏障积聚空间电 荷，改善电场分布 n 随着屏障位置不同，击 穿电压发生了很大的变 化，尖电极的极性不同 ，屏障的影响也有别 （三）高气压的采用 n 减小电子的平均自由行程，削弱电离过程 例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的 1/51/8，提高压力至11.5MPa，空气的电气强度和一 般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的 电气强度相接近 n 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气 设备中已得到采用 如：高压空气断路器、高压标准电容器等 （四）高真空的采用 n 削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击 穿电压 n 高真空中击穿机理发生了改变 距离较小时，间隙的 击穿和阴极的强场 放射密切有关 分散性很大：电极材 料、电极表面的光 洁度及清洁度 n 含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利 昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称 为高电气强度气体 （五）高电气强度气体的采用 n 卤化物气体电气强度高的原因 　1．由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体 分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电 离能力，同时又加强复合过程 　２．气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其 中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞 电离能力 　３．电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子 发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电 离能力 n 对高电气强度气体的要求 　1．液化温度要低，采用高电气强度气体时，常常同 时提高压力，以便更大程度的提高间隙的击穿电压 ，缩小设备的体积和重量。所以这些气体的液化温 度要低，以便在较低的运行温度下，还能施加相当 的压力 　2．应具有良好的化学稳定性，不易腐蚀设备中的其 它材料，无毒，不会爆炸，不易燃烧，即使在放电 过程中也不易分解等 　3．经济上应当合理，价格便宜，能大量供应 n 目前工程上已得到采用的是六氟化硫（SF6）。SF6 除了其电气强度很高以外，还具有优良的灭弧性能 ，很适合用于高压断路器中 n SF6已不仅用来制作单台电气设备（如SF6断路器、 避雷器、电容器等），而且发展成了各种组合设备 ，即将整套送变电设备组成一体，密封后充以SF6 气体，如全封闭组合电器、气体绝缘变电所、充气 输电管道等。这些SF6组合设备具有很多优点，如 可大大节省占地面积、简化运行维护等等
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